一种智能圆珠笔及其工作方法与流程

本发明涉及一种圆珠笔，具体涉及一种智能圆珠笔及其工作方法。

背景技术：

圆珠笔是通过笔或笔芯前端的球珠滚动带出书写介质的笔。主要是利用球珠在书写时与纸面直接接触产生摩擦力，使圆珠在球座内滚动，带出笔芯内的油墨或墨水，以达到书写的目的。圆珠笔在全球范围内的占有率极高，广泛应用于中小学、办公场所等地。

在现有技术中，圆珠笔通常只包含笔壳、笔芯和弹簧组件，通过简单的机械配合使得墨水能够流出，从而达到书写的目的；书写人员在进入工作状态后容易忽视环境光线和工作时长，长此以往有害身心健康。

技术实现要素：

发明目的：提供一种智能圆珠笔，解决了现有技术存在的上述问题。

技术方案：一种智能圆珠笔，包括前段书写组件、中段驱动组件、后段控制组件、以及传感组件四部分。

其中，前段书写组件，包括壳体，滑动设置在所述壳体前段内部的笔杆，螺纹锁紧安装在所述壳体前端的笔头，以及安装在所述笔杆内的笔芯，所述笔芯的前段部分套设有弹簧，所述弹簧的一端与所述笔头接触；

中段驱动组件，包括固定在所述壳体中段内部的安装架，固定在所述安装架上的小型电机，以及设置在所述安装架上、并与所述小型电机配合传动的动力转换装置；

后段控制组件，包括固定在所述壳体后段内部的电路板，分别焊接在所述电路板上的单片机和电机驱动模块，贴合在所述电路板上、且与所述壳体接触的硅脂片，固定在所述壳体内、且与所述电路板电性连接的锂电池，以及与所述电路板电性连接的线性振动模块；

传感组件，包括安装在所述壳体末端的光线感应模块，设置在所述笔杆外围的多个压敏电阻，以及贴合在所述壳体外预定位置上的防滑片；所述防滑片位于所述压敏电阻的上方。

在进一步的实施例中，所述动力转换装置包括安装在所述小型电机的输出轴上的螺杆，转动设置在所述安装架上、且与所述螺杆啮合的第一齿轮组，转动设置在所述安装架上、且与所述第一齿轮组啮合的第二齿轮组，转动设置在所述安装架上、且与所述第二齿轮组啮合的第三齿轮组，以及偏心铰接在所述第三齿轮组下端的连杆；所述连杆的另一端与所述笔杆铰接。当小型电机转动时，小型电机的动力输出至螺杆，螺杆转动后带动与之啮合的第一齿轮组转动，第一齿轮组带动第二齿轮组转动，第二齿轮组带动第三齿轮组转动，最终第三齿轮组带动与之偏心铰接的连杆做回摆运动，进而带动笔杆做直线方向的伸缩运动。

在进一步的实施例中，所述安装架上的预定位置处分别设有第一轴承座、第二轴承座、以及第三轴承座，所述轴承座内分别过盈配合安装有轴承，所述轴承上分别过盈配合安装有第一转轴、第二转轴、以及第三转轴。所述第一转轴、第二转轴、以及第三转轴可顺畅转动，使得齿轮组在转动时更加顺滑，进而使得笔芯在伸出或收缩时更加顺畅，并起到静音的效果。

在进一步的实施例中，所述第一齿轮组、第二齿轮组、以及第三齿轮组分别过盈配合套设在所述第一转轴、第二转轴、以及第三转轴上。

在进一步的实施例中，所述第一齿轮组为两段，包括与前述螺杆啮合的第一斜齿轮，以及同轴固定在所述斜齿轮上端面上的第一直齿轮；所述第二齿轮组为两段，包括与所述第一直齿轮啮合的第二直齿轮，以及同轴固定在所述第二直齿轮下端面上的第三直齿轮；所述第三齿轮组包括与所述第三直齿轮啮合的第四直齿轮，以及固定在所述第四直齿轮下端面边缘处的转动销。通过上述技术方案，使得在达到降低小型电机转速、并增加扭矩的前提下尽可能减小空间占用，使得动力转换装置能够被圆珠笔的壳体容纳。

在进一步的实施例中，所述光线感应模块包括笔帽，所述笔帽的一端设有透明玻璃，所述笔帽内安装有凸透镜，所述凸透镜下方的预定位置处安装有光电二极管，所述光电二极管与所述电路板之间电性连接。当光线进入光线感应模块时，首先透过透明玻璃并平时射入凸透镜，平行光线经过凸透镜的折射并汇聚成一点，此时光线的能量汇聚更加集中，有助于提高光电二极管进行光线强度识别的准确率。

在进一步的实施例中，所述笔杆的外围、且位于所述压敏电阻和壳体之间贴合有贴片，所述贴片为弹性硅胶材质，所述贴片与所述压敏电阻和壳体接触。贴片起到压力感应过渡的作用。

在进一步的实施例中，所述电路板上电性连接有usb接口，所述壳体的相应位置处预留有长方形开孔，所述长方形开孔的大小与所述usb接口的大小一致。

在进一步的实施例中，所述线性振动模块包括一个线性电机，所述线性电机包括定子和动子，所述动子包括线圈绕组，所述定子包括钢条，以及固定在所述钢条上的条状磁铁，所述条状磁铁和钢条构成磁轨；所述定子和动子之间无刷连接，当线圈绕组通电后，便在气隙中产生行波磁场，动子在行波磁场切割下，将感应出电动势并产生电流，该电流与气隙中的磁场相作用就产生电磁推力，从而使得动子做直线运动，通过通电的正负极之间的不断改变，即可使得动子做直线往复的线性振动。

一种智能圆珠笔的工作方法，其特征在于包括以下步骤：

第一步、光线感应模块感应环境光线是否充足；

第二步、若环境光线较差，未达到光线感应模块的阈值，则光电二极管接收到的反向电流低于预定的最小值，即接收到“暗电流”；

第三步、若环境光线良好，达到光线感应模块的阈值，则光电二极管接收到的反向电流高于预定的最大值，即接收到“光电流”；

第四步、光电二极管将接收到的光信号转换成电信号，并将电信号发送至单片机；

第五步、在光线较暗时，单片机控制小型电机反转，小型电机的动力经由动力转换装置，带动笔芯收缩回笔头内，阻止书写人员继续书写；

第六步、当光线足够明亮、适宜书写时，单片机控制小型电机正转，小型电机的动力经由动力转换装置，带动笔芯伸出笔头外；

第七步、压敏电阻感应书写人员握笔姿势是否正确；

第八步、当书写人员握笔姿势不对时，即拇指和食指未正确放置在防滑片上，此时压敏电阻受到的压力小于预定值，压敏电阻的阻值大于预定值，压力转变为电信号发送至单片机，后续步骤同s5；

第九步、当书写人员握笔姿势正确，此时压敏电阻受到的压力大于预定值，阻值小于预定值，压力转变为电信号发送至单片机，后续步骤同s6；

第十步、压敏电阻感应受压时长，若感应到受压时长大于预设值，则由单片机控制线性振动模块振动，提醒书写人员适当放笔休息。

有益效果：本发明涉及一种智能圆珠笔，通过设置光线感应模块和压敏电阻，并配合相应的控制电路，使得该圆珠笔能够自动感应环境光线和握笔姿势，此外，还能够感知书写人员当前的书写时长，并在达到预定时长后做出提醒反馈，告知书写人员适当休息。具体的，当环境光线过暗时，笔芯会自动收缩，阻止书写人员进一步书写，直至打开台灯使得环境光线恢复正常；同时，压敏电阻能够感应书写人员的握笔姿势，当握笔姿势不规范时，笔芯也会自动收缩；压敏电阻还可以通过感应受压时长来判断书写人员是否在握笔，如果书写时间过长则通过单片机控制线性振动模块振动来提醒操作人员适当放笔休息。

附图说明

图1为本发明的内部拆解示意图。

图2为本发明中前段书写组件的立体图。

图3为本发明中动力转换装置的立体图。

图4为本发明中动力转换装置的齿轮啮合示意图。

图5为本发明中光线感应模块的结构示意图。

图6为本发明中线性振动模块的结构示意图。

图7为本发明的工作原理框图。

图中各附图标记为：笔芯1、笔头2、笔杆3、连杆4、小型电机5、线性振动模块6、线圈绕组601、磁铁602、钢条603、电路板7、usb接口8、光线感应模块9、透明玻璃901、凸透镜902、光电二极管903、平行光线904、折射光905、硅脂片10、安装架11、动力转换装置12、螺杆1201、第一齿轮组1202、第一转轴1202a、第一斜齿轮1202b、第一直齿轮1202c、第二齿轮组1203、第二转轴1203a、第三直齿轮1203b、第二直齿轮1203c、第三齿轮组1204、第三转轴1204a、第四直齿轮1204b、转动销1204c、压敏电阻13、壳体14、防滑片15。

具体实施方式

在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

如图1至图7所示，本发明涉及一种智能圆珠笔及其工作方法，一种智能圆珠笔由前段书写组件、中段驱动组件、后段控制组件、以及传感组件四部分组成。其中，前段书写组件包括壳体14、笔杆3、笔头2、笔芯1、以及弹簧，所述笔杆3滑动设置在所述壳体14的前段内部，所述笔头2螺纹锁紧安装在所述壳体14的前端，所述笔芯1安装在所述笔杆3内，所述弹簧套设在所述笔芯1的前段部分，所述弹簧的一端与所述笔头2接触。中段驱动组件包括安装架11、小型电机5、以及动力转换装置12，所述安装架11固定在所述壳体14的中段内部，所述小型电机5固定在所述安装架11上，所述动力转换装置12设置在所述安装架11上、并与所述小型电机5配合传动。后段控制组件包括电路板7、单片机、电机驱动模块、显示模块、硅脂片10、线性振动模块6、以及锂电池，所述电路板7固定在所述壳体14的后段内部，所述单片机和电机驱动模块分别焊接在所述电路板7上，所述硅脂片10贴合在所述电路板7上、且与所述壳体14接触，所述硅脂片10同时贴合电路板7和壳体14两者，有助于将电路板7的内部热量带至壳体14，并最终散发出去；所述锂电池固定在所述壳体14内、并与所述电路板7电性连接，锂电池用于为该装置供电；所述线性振动模块6与所述电路板7之间电性连接，所述线性振动模块6用于为书写人员提供震感，从而起到提醒的作用。传感组件包括光线感应模块9、压敏电阻13、以及防滑片15，所述光线感应模块9安装在所述壳体14的末端，所述光线感应模块9的位置即为传统圆珠笔的笔帽处，所述压敏电阻13设置在所述笔杆3的外围，所述防滑片15贴合在所述壳体14外的预定位置处，所述防滑片15位于所述压敏电阻13的上方。

作为一个优选方案，所述动力转换装置12包括安装在所述小型电机5的输出轴上的螺杆1201，转动设置在所述安装架11上、且与所述螺杆1201啮合的第一齿轮组1202，转动设置在所述安装架11上、且与所述第一齿轮组1202啮合的第二齿轮组1203，转动设置在所述安装架11上、且与所述第二齿轮组1203啮合的第三齿轮组1204，以及偏心铰接在所述第三齿轮组1204下端的连杆4；所述连杆4的另一端与所述笔杆3铰接。当小型电机5转动时，小型电机5的动力输出至螺杆1201，螺杆1201转动后带动与之啮合的第一齿轮组1202转动，第一齿轮组1202带动第二齿轮组1203转动，第二齿轮组1203带动第三齿轮组1204转动，最终第三齿轮组1204带动与之偏心铰接的连杆4做回摆运动，进而带动笔杆3做直线方向的伸缩运动。

所述安装架11上的预定位置处分别设有第一轴承座、第二轴承座、以及第三轴承座，所述轴承座内分别过盈配合安装有轴承，所述轴承上分别过盈配合安装有第一转轴1202a、第二转轴1203a、以及第三转轴1204a。所述第一转轴1202a、第二转轴1203a、以及第三转轴1204a可顺畅转动，使得齿轮组在转动时更加顺滑，进而使得笔芯1在伸出或收缩时更加顺畅，并起到静音的效果。

所述第一齿轮组1202、第二齿轮组1203、以及第三齿轮组1204分别过盈配合套设在所述第一转轴1202a、第二转轴1203a、以及第三转轴1204a上。所述第一齿轮组1202为两段，包括与前述螺杆1201啮合的第一斜齿轮1202b，以及同轴固定在所述斜齿轮上端面上的第一直齿轮1202c；所述第二齿轮组1203为两段，包括与所述第一直齿轮1202c啮合的第二直齿轮1203c，以及同轴固定在所述第二直齿轮1203c下端面上的第三直齿轮1203b；所述第三齿轮组1204包括与所述第三直齿轮1203b啮合的第四直齿轮1204b，以及固定在所述第四直齿轮1204b下端面边缘处的转动销1204c。通过上述技术方案，使得在达到降低小型电机5转速、并增加扭矩的前提下尽可能减小空间占用，使得动力转换装置12能够被圆珠笔的壳体14容纳。

所述光线感应模块9包括笔帽，所述笔帽的一端设有透明玻璃901，所述笔帽内安装有凸透镜902，所述凸透镜902下方的预定位置处安装有光电二极管903，所述光电二极管903与所述电路板7之间电性连接。当光线进入光线感应模块9时，首先透过透明玻璃901并平时射入凸透镜902，平行光线904经过凸透镜902的折射并汇聚成一点，此时光线的能量汇聚更加集中，有助于提高光电二极管903进行光线强度识别的准确率。

所述笔杆3的外围、且位于所述压敏电阻13和壳体14之间贴合有贴片，所述贴片为弹性硅胶材质，所述贴片与所述压敏电阻13和壳体14接触。贴片起到压力感应过渡的作用，当书写人员的拇指和食指正确放置在防滑片15上时，手指之间按压的压力经过贴片，最终传至压敏电阻13，从而被压敏电阻13感应到当前的按压力。所述电路板7上电性连接有usb接口8，所述壳体14的相应位置处预留有长方形开孔，所述长方形开孔的大小与所述usb接口8的大小一致；usb接口8用于外界为锂电池充电，锂电池存储电量，为电路板7和各类传感器供电。

所述线性振动模块6包括一个线性电机，所述线性电机包括定子和动子，所述动子包括线圈绕组601，所述定子包括钢条603，以及固定在所述钢条603上的条状磁铁602，所述条状磁铁602和钢条603构成磁轨；所述定子和动子之间无刷连接，当线圈绕组601通电后，便在气隙中产生行波磁场，动子在行波磁场切割下，将感应出电动势并产生电流，该电流与气隙中的磁场相作用就产生电磁推力，从而使得动子做直线运动，通过通电的正负极之间的不断改变，即可使得动子做直线往复的线性振动。

根据上述技术方案，本发明能够自动感应环境光线和握笔姿势，此外，还能够感知书写人员当前的书写时长，并在达到预定时长后做出提醒反馈，告知书写人员适当休息。以下针对本发明自动感应光线、自动感应握笔姿势、以及书写时长提醒这三项功能做出进一步解释。

自动感应光线：首先，光线感应模块9感应环境光线是否充足；若环境光线较差，未达到光线感应模块9的阈值，则光电二极管903接收到的反向电流小于预定值，即接收到“暗电流”；若环境光线良好，达到光线感应模块9的阈值，则光电二极管903接收到的反向电流大于预定值，即接收到“光电流”。随后，光电二极管903将接收到的光信号转换成电信号，并将电信号发送至单片机。在光线较暗时，单片机控制小型电机5反转，小型电机5的动力经由动力转换装置12，带动笔芯1收缩回笔头2内，阻止书写人员继续书写；当光线足够明亮、适宜书写时，单片机控制小型电机5正转，小型电机5的动力经由动力转换装置12，带动笔芯1伸出笔头2外。上述为本地发明中用于感应环境光线，并针对环境光线控制笔芯1做出相应动作的过程。更为具体的，小型电机5控制笔芯1的伸出和缩回的工作过程如下：小型电机5输出动力至螺杆1201，螺杆1201转动后带动与之啮合的第一斜齿轮1202b转动，由于第一直齿轮1202c与所述第一斜齿轮1202b同轴安装，故第一直齿轮1202c与第一斜齿轮1202b的动力同步，此时第一直齿轮1202c转动，带动与之啮合的第二直齿轮1203c转动，由于第三直齿轮1203b与所述第二直齿轮1203c同轴安装，故第二直齿轮1203c与第三直齿轮1203b的动力同步，此时第三直齿轮1203b转动，带动与之啮合的第四直齿轮1204b转动，所述第四直齿轮1204b的下端边缘处设有转动销1204c，所述转动销1204c用于铰接连杆4，最终第三齿轮组1204带动与之偏心铰接的连杆4做回摆运动，进而带动笔杆3做直线方向的伸缩运动。

自动感应握笔姿势：首先，压敏电阻13感应书写人员握笔姿势是否正确；当书写人员握笔姿势不对时，即拇指和食指未正确放置在防滑片15上，此时压敏电阻13受到的压力小于预定值，压敏电阻13的阻值大于预定值，压力转变为电信号发送至单片机，单片机控制小型电机5反转，小型电机5的动力经由动力转换装置12，带动笔芯1收缩回笔头2内，阻止书写人员继续书写；当书写人员握笔姿势正确，此时压敏电阻13受到的压力大于预定值，阻值小于预定值，压力转变为电信号发送至单片机，单片机控制小型电机5正转，小型电机5的动力经由动力转换装置12，带动笔芯1伸出笔头2外。

书写时长提醒：压敏电阻13能够感应受压的时间长短，若感应到受压时间大于预设值，则系统判断为书写人员书写时间过长，则由单片机控制线性振动模块6振动，提醒书写人员适当放笔休息。所述线性振动模块6包括一个线性电机，所述线性电机包括定子和动子，所述动子包括线圈绕组601，所述定子包括钢条603，以及固定在所述钢条603上的条状磁铁602，所述条状磁铁602和钢条603构成磁轨；所述定子和动子之间无刷连接，当线圈绕组601通电后，便在气隙中产生行波磁场，动子在行波磁场切割下，将感应出电动势并产生电流，该电流与气隙中的磁场相作用就产生电磁推力，从而使得动子做直线运动，通过通电的正负极之间的不断改变，即可使得动子做直线往复的线性振动，线性振动模块6持续振动，从而提醒书写人员适当休息。

如上所述，尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本发明，但其不得解释为对本发明自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上做出各种变化。